考虑温度场的面板堆石坝稳定性研究

吴志波

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)

面板堆石坝最初发源于美国，是一种在坝体底部放置块石作为堆石体，上游面浇筑混凝土面板的一种坝体结构类型[1]。其发展历史大致经历了三个时期：抛填堆石阶段；抛填堆石向碾压堆石发展阶段；采用碾压堆石阶段，逐渐向高坝和超高坝发展[2]。经过120多年的发展，目前已经成为一种常见的坝型。

随着技术的进一步发展，碾压面板堆石坝在应力变形和结构密实度等方面有进一步的改善[3]，但是变形对于大坝的安全运行依然是一个很大的隐患[4]。对于大坝的稳定性影响因素众多[5- 6]，许多学者进行了诸多的研究，同时也取得很大进展，但是关于温度场引起的应力变化则较为复杂[7- 10]，其研究相对较少。本文以此为出发点，利用ABAQUS[11]对在运行期内考虑温度场时大坝在相关荷载作用下的坝体应力变形特性进行研究，为大坝实际运行提供理论依据。

1 模型建立

以某水库坝体以上流域集水面积66.8km2，上游主河道长14.8km，河道比降16.9‰，大坝正常运行水位447m。大坝荷载作用主要包含自重、水压力、变温荷载。水库55m以下水温保持在3.9℃左右，上面水温受大气温度影响较大。统计多年平均气温见图1：

图1 多年平均气温图

设定X方向为顺水流方向；Y方向竖直向上。坝体各部分按照对应材料参数进行设置；静水压力在二维中按Pressure施加，选择Hydrostatic分布，水容重取9.8kN/m3。

模型建立过程中，为了更符合实际情况，基岩底部设置成全约束，坝基两侧设置水平向约束；坝基上面坝体和面板不做过多设置。考虑到坝体的复杂性，对于选取的特征断面，需要通过对其计算反映出坝体及面板其他部位的受力特性，进而推算整体的稳定性。本文选择坝体最大横断面作为特征断面进行网格划分，网格节点总数889个，单元总数835个。选取的坝体特征横断面如图2所示；特征点位置及网格如图3所示。

图2 坝体横断面材料分区图

图4 坝体竖向位移云图(m)

图6 坝体水平位移云图(m)

图3 有限元模型单元

2 应力变形分析

2.1 坝体位移分析

坝体沉降计算结果如图4所示。

图4可以看出，坝体上游中部A点下降明显，坝体中部B、C、D三点出现轻微的上移，坝体底部位移变化不大。图5是特征点竖向位移在不同月份的变化情况，B、C、D三点的变化趋势相同，1至8月份随着温度的升高，由于坝体受热膨胀，有向上移动的趋势；8至12月份，随着温度的降低，坝体收缩，坝体逐渐收缩，特征点处位移还是向上。A点在库区水面下，受到水体的隔离，基本处于恒温状态，受重力和水压力作用，有向下的位移，且其位移受外界温度变化影响不明显，最大沉降位移为2.57cm。

图5 坝体特征点竖向位移图

坝体水平位移计算结果如图6所示。

图6可以看出，在水压力的作用下，坝体有向下游运动的趋势。水平位移最大值出现在坝体中部B点附近；A、C、D三点的位移相对较小，坝底几乎不动。

图7是特征点水平位移在不同月份的变化趋势，从1至8月份随着温度的升高，由于坝体受热膨胀，有向上和两侧移动趋势。A点位置处水平位移相对比较大，在1至7月份由静水压力产生的坝体位移和由于气温回升引起坝体受热膨胀运动趋势方向相反；在8至12月份，坝体随温度的降低逐渐收缩；所以A点的位移先减小后增大，在8月份达到最小，最大位移出现在12月份，为4.34cm。D点受热胀冷缩的影响，坝体位移在全年内先增大后减小，最大位移出现在8月份。B、C两点位于坝顶，水压力作用大于比较明显，所以整体向下游运动，两者位移变化几乎一致，位移大小在2cm左右。

2.2 坝体应力分析

坝体最大主应力计算云图如图8所示。

由图可知，坝体基本处于受压状态，坝体内应力分布比较均匀，压力分布随高程的增加逐渐减小，最大压应力出现在底部坝体和坝基接触位置。温度变化对坝体的应力分布有影响，其中，坝体最大主应力在每月份有所不同，最大值出现在8月份，其值为1.98MPa；在1月份时最小，其值为1.57MPa。

坝体最小主应力计算云图如图9所示。

由图9可知，坝体内部整体处于受压状态，且压应力最大值随温度变化有所变化。在坝顶防浪墙处和坝体与面板接触位置出现局部拉应力，拉应力随着温度的降低会有所增大。因为位于表层的混凝土与大气直接接触，易受气温变化影响。

坝体最小主应力最大值出现12月份，为-0.234MPa，最小值出现在8月份，为-0.121MPa。在整个年度内，应力均满足材料的强度要求。

图9 不同月份坝体最小主应力云图(KPa)

图11 不同月份面板最大主应力云图(KPa)

图12 不同月份面板最小主应力云图(KPa)

2.3 面板应力分析

面板主应力在全年变化如图10所示。

图10 面板应力变化图

由图10可知，混凝土面板的最大主应力的变化趋势为随着温度的升高逐渐增大，随温度降低逐渐减小，最大值出现在8月份；分布位置受气温变化影响较大，7至10月份主要分布于趾板位置处，11至来年6月份则主要分布在距坝底下侧1/3～1/2处。最小主应力随着温度的升高逐渐增大，随温度降低逐渐减小，影响效果不太明显。7、8月份集中分布在混凝土面板顶部，9至来年6月份主要分布在面板底端1/3～1/2位置处。混凝土面板典型月份的最大主应力和最小主应力分布如图11～图12所示。

考虑到混凝土面板抗拉性能较差，库区底部低温水会对面板产生温度应力，进而可能对拉应力分布范围和大小产生影响，加剧混凝土的开裂。从拉应力随温度的分布来看，混凝土面板下侧出现裂缝机率较大的是12月份和1月份。本工程最大拉应力为0.236MPa，满足材料的抗拉强度要求。

3 结论

(1)坝体整体有向下游运动趋势。竖向位移最大值出现在上游斜面距坝底1/3位置处，水平位移最大值出现在上游面板中部。

(2)坝体整体处于都是受压状态，受气温变化的影响，最大主应力在8月份达到最大；最小主应力在12月份达到最大，均满足强度要求。

(3)混凝土面板最大主应力随温度升高逐渐增大，最大值出现在8月份。最小主应力随温度降低逐渐增大，最大值出现在12月份。

(4)综合考虑，建议在12月份加强大坝面板的检测力度。

[1] 蒋国澄, 傅志安. 混凝土面板坝工程[M]. 北京: 清华大学出版社, 1997．

[2] Cheng YM, Lansivaara T, Wei W B. Two-dim tensional slope stability analysis by limit equilibrium and strength reduction methods[J]. Computers and Geotechnics, 2007(34): 137- 150．

[3] 能惠, 杨泽艳. 中国混凝土面板堆石坝的技术进步[J]. 岩土工程学报, 2012(08): 1361- 1368.

[4] 沈珠江. 面板堆石坝应力应变分析的若干问题[A]. 中国混凝土面板堆石坝十年学术研讨会论文集[C]. 建筑工业出版社, 1995．

[5] 章加森. 罗村水库大坝混凝土面板施工技术探讨[J]. 水利技术监督, 2016(04): 99- 101．

[6] 沈凤生. 混凝土面板堆石坝设计与实践关键技术研究[J]. 水利规划与设计, 2017(01): 1- 6．

[7] 王瑞骏, 王党在, 陈尧龙, 等. 混凝土面板堆石坝施工期面板温度应力仿真分析[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版). 2004, 10(10): 123- 126.

[8] 张国新, 张丙印, 王光纶. 混凝土面板堆石坝温度应力研究[J]. 水利水电技术, 2001(07): 1- 5．

[9] 代艳芳, 苟勤章, 王晋川. 寒冷地区在第三系软质岩坝基上修建混凝土面板堆石坝[J]. 水利规划与设计, 2007(05): 46- 48．

[10] 李宏伟. 碾压混凝土大坝施工温度控制措施与效果[J]. 水利规划与设计, 2013(03): 60- 63．

[11] 朱伯芳. 有限单元法原理与应用[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 1998．